新教材人教版选择性必修第二册第五章2常见传感器的工作原理及应用课件（46张）

2.常见传感器的工作原理及应用第五章2021内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标思维导图1.通过实验,了解常见传感器的工作原理,会利用传感器制作简单的自动装置。(科学思维)2.认识简单的自动控制电路。(科学思维)课前篇自主预习必备知识一、光敏电阻1.光敏电阻是用硫化镉做成的,光照强度不同时电阻不同,光敏电阻是光传感器中常见的光敏元件。2.硫化镉是一种半导体材料,无光照时,载流子极少,导电性能差;随着光照的增强,载流子增多,导电性变好。3.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。二、金属热电阻和热敏电阻1.除了光照以外,温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。金属热电阻和热敏电阻就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。2.金属的电阻率随温度的升高而增大,用金属丝可以制作温度传感器,称为热电阻。3.有些半导体在温度上升时导电能力增强,因此可以用半导体材料制作热敏电阻。4.金属热电阻和热敏电阻都能够把温度这个热学量转换为电阻这个电学量。三、电阻应变片1.金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时,其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。2.除了金属电阻应变片外,常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片,它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。3.电阻应变片能够把物体形变这个力学量转换为电阻这个电学量。4.常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,称为应变式力传感器。5.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是通过测量电阻的变化来确定外界非电学量的变化。6.电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化,从而引起电容的变化,那么,通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化,由此可以制成电容式传感器。自我检测1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)金属热电阻随温度的升高导电能力增强,它的化学稳定性好,测量范围大。(

)解析

金属热电阻随温度的升高导电能力减弱。答案

×(2)热敏电阻和金属热电阻都能把温度这个热学量转换成电阻这个电学量。(

)答案

√(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。(

)解析

霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。答案

×(4)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。(

)答案

√(5)光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越大。(

)解析

光敏电阻的阻值随光照的强弱而变化,光照越强电阻越小。答案

×(6)电阻应变片能够把物体的形变情况转变为电阻的变化。(

)答案

√2.许多楼道照明灯具有这样的功能:天黑时,出现声音它就开启;而在白天,即使有声音它也没有反应,它的控制电路中可能接入的传感器是(

)①温度传感器

②光传感器

③声音传感器

④热传感器A.①② B.②③

C.③④ D.②④解析

楼道灯控制电路中安装有光声控延时开关,它装有光敏感元件,用于感知外界光线的强弱,还安装有声敏感元件用于感知外界声响。当白天外界光线较强时,光声控延时开关总处于断开状态,灯不亮;当夜晚光线较弱且有声响时光声控延时开关处于导通状态,灯亮,延时一段时间后,开关断开,灯熄灭。答案

B课堂篇探究学习探究一光敏电阻情境探究实验:将一只光敏电阻接到多用电表的两端,电表置于倍率为100的欧姆挡。观察在室内自然光照射下的电阻值,用手掌遮光时的电阻值,用阳光直接照射时的电阻值。(1)观察到的实验现象是什么?(2)该实验能得出什么结论?要点提示

(1)实验现象:同一只光敏电阻,用多用电表测量其阻值,用手掌遮光时,电阻值较大,在室内自然光的照射下电阻值变小,改用阳光直接照射时,电阻值变得更小。(2)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小。知识归纳光敏电阻的特点及工作原理(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电能力明显增强。(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强,电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。实例引导例1(多选)如图所示,R1、R2为定值电阻,L为小灯泡,R3为光敏电阻,当入射光强度增大时(

)A.电压表的示数增大B.R2中电流减小C.小灯泡的功率增大D.电路的路端电压增大解析

当入射光强度增大时,R3阻值减小,外电路电阻随R3的减小而减小,R1两端电压因干路电流增大而增大,从而电压表的示数增大,同时内电压增大,故电路的路端电压减小,A项正确,D项错误。因路端电压减小,而R1两端电压增大,故R2两端电压必减小,则R2中电流减小,故B项正确。结合干路电流增大、R2中电流减小,知流过小灯泡的电流必增大,故小灯泡的功率增大,C项正确。答案

ABC规律方法

解决含有光敏电阻的直流电路动态分析问题(1)明确光敏电阻的电阻特性;(2)解题思路:变式训练

1如图所示,将一光敏电阻接入多用电表两表笔上,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,用光照射光敏电阻时表针自左向右的偏角为θ,现用手掌挡住部分光线,表针自左向右的偏角变为θ',则可判断(

)A.θ'=θ B.θ'<θC.θ'>θ D.不能确定解析

光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小,用手掌挡住部分光线,阻值变大,指针自左向右偏转角度变小,故B正确。答案

B探究二热敏电阻和金属热电阻情境探究如图所示,将多用电表的选择开关置于欧姆挡,再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻RT(温度升高,电阻减小)的两端相连,这时表针恰好指在刻度盘的正中央。若在RT上擦一些酒精,表针将如何偏转?若用吹风机将热风吹向热敏电阻,表针将如何偏转?要点提示

由于酒精蒸发,热敏电阻RT温度降低,电阻值增大,指针将向左偏;用吹风机将热风吹向热敏电阻,热敏电阻RT温度升高,电阻值减小,指针将向右偏。知识归纳热敏电阻和金属热电阻的特点(1)热敏电阻:用半导体材料制成。(2)金属热电阻:金属的电阻率随温度升高而增大,利用这一特性,金属丝也可以制作成温度传感器,称为热电阻。(3)热敏电阻和金属热电阻的区别

分类热敏电阻金属热电阻特点负温度系数的热敏电阻,电阻率随温度的升高而减小电阻率随温度的升高而增大R-T图像(负温度系数的热敏电阻)分类热敏电阻金属热电阻制作材料半导体金属导电原理自由电子和空穴等载流子自由电子的定向移动优

点灵敏度较好化学稳定性好,测温范围大,但灵敏度较差作

用将温度这个热学量转换为电阻这个电学量实例引导例2

如图所示,R1为定值电阻,R2为负温度系数的热敏电阻,L为小灯泡,当温度降低时(

)A.R1两端的电压增大B.电流表的示数增大C.小灯泡的亮度变强D.小灯泡的亮度变弱解析

R2与灯泡L并联后再与R1串联,与电源构成闭合电路,当温度降低时,热敏电阻R2阻值增大,外电路电阻增大,电流表读数减小,灯泡L两端的电压增大,灯泡的亮度变强,R1两端的电压减小,故只有C正确。答案

C变式训练

2如图所示,由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中,当闭合开关S后,小灯泡正常发光,若用酒精灯加热电阻丝时,发现小灯泡亮度变暗,发生这一现象的主要原因是(

)A.小灯泡的电阻发生了变化B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化D.电源的电压随温度发生了变化解析

电阻丝的电阻率随温度的升高而增大,电阻也增大,电路中电流减小,根据P=I2R知,小灯泡的实际功率减小,所以变暗。答案

C探究三霍尔元件情境探究如图所示,在矩形半导体薄片E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B,则M、N间会出现电压,称为霍尔电压UH。(1)分析为什么会出现电压。(2)试推导UH的表达式。(电流的微观表达式I=nqvS)要点提示

(1)薄片中的载流子在洛伦兹力的作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现了电压。(2)设薄片厚度为d,EF方向长度为l1,MN方向长度为l2,受力分析如图。

知识归纳霍尔元件的工作原理与特点(1)霍耳元件的工作原理:E、F间通入恒定的电流I,同时外加与薄片垂直的磁场B时,薄片中的载流子就在洛伦兹力作用下,向着与电流和磁场都垂直的方向漂移,使M、N间出现电压(如图所示)。(2)霍尔元件在电流、电压稳定时,载流子所受电场力和洛伦兹力二力平衡。(3)霍尔电压:UH=k

(d为薄片的厚度,k为霍尔系数)。当电流I一定时,UH与B成正比,所以霍尔元件能把磁学量转换成电学量。实例引导例3

如图所示,有电流I流过长方体金属块,金属块宽为d,高为b,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里,金属块单位体积内的自由电子数为n,问:金属块上、下表面哪面电势高?电势差是多少?解析

因为自由电荷为电子,运动方向与电流方向相反,故由左手定则可判定向上偏,则上表面聚集负电荷,下表面带等量的正电荷,故下表面电势高,设其稳定电压为U,当运动的自由电子所受电场力与洛伦兹力平衡时,规律方法

霍尔电势高低的判断方法由左手定则判断带电粒子的受力方向,如果带电粒子是正电荷,则拇指所指的面为高电势面,如果是负电荷,则拇指所指的面为低电势面。在判断电势高低时一定要注意载流子是正电荷还是负电荷。变式训练

3(多选)如图所示是霍尔元件的工作原理示意图,如果用d表示薄片的厚度,k为霍尔系数,对于一个霍尔元件d、k为定值,如果保持I恒定,则可以验证UH随B的变化情况。以下说法中正确的是(工作面是指较大的平面)(

)A.将永磁体的一个磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面,且永磁体的磁场与原磁场方向相同,UH将变大B.在测定地球两极的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平C.在测定地球赤道上的磁场强弱时,霍尔元件的工作面应保持水平D.改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,UH将发生变化解析

将永磁体的磁极逐渐靠近霍尔元件的工作面时,且永磁体的磁场与原磁场方向相同,B增大,I恒定,由公式UH=知UH将变大,选项A正确;地球两极的磁场方向在竖直方向上,所以霍尔元件的工作面应保持水平,使B与工作面垂直,选项B正确;地球赤道上的磁场沿水平方向,只有霍尔元件的工作面在竖直方向且垂直于南北时,B才与工作面垂直,选项C错误;改变磁感线与霍尔元件工作面的夹角,B在垂直工作面方向上的大小发生变化,UH将发生变化,选项D正确。答案

ABD随堂检测1.非触摸式自动感应水龙头如图所示,其应用的传感器是(

)A.压力传感器B.光电传感器C.生物传感器D.温度传感器解析

自动感应水龙头应用的是光电传感器。答案

B2.如图甲所示,光敏电阻R2上加上如图乙所示的光照,那么R2两端的电压变化是下列图中的(

)解析

光敏电阻阻值随光照的增强而减小,根据题图知R2两端的电压随光照的增强而减小,但不会是零,所以选B。答案

B3.(多选)在温控电路中,通过热敏电阻阻值随温度